高低頻率對(duì)鋼制抽油桿條件疲勞強(qiáng)度的影響及其確定方法

王桂全

中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院（黑龍江大慶163453）

高低頻率對(duì)鋼制抽油桿條件疲勞強(qiáng)度的影響及其確定方法

王桂全

中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院（黑龍江大慶163453）

疲勞試驗(yàn)頻率對(duì)疲勞性能的影響一直存在著爭(zhēng)議。通過(guò)不同的試驗(yàn)頻率和應(yīng)力對(duì)鋼制抽油桿的疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)數(shù)據(jù)分析研究，得出鋼制抽油桿疲勞壽命低于1.1×106次時(shí)，疲勞試驗(yàn)頻率的大小對(duì)其疲勞壽命沒(méi)有明顯差異的結(jié)論。針對(duì)近些年大多數(shù)抽油桿的疲勞壽命不符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求，研究了疲勞試驗(yàn)方法——升降法，利用該方法進(jìn)行大量疲勞試驗(yàn)，修訂標(biāo)準(zhǔn)中的條件疲勞強(qiáng)度σ0.1，為以后抽油桿國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的編寫(xiě)提供了數(shù)據(jù)支撐。

抽油桿；疲勞試驗(yàn)；條件疲勞強(qiáng)度

鋼制抽油桿的疲勞強(qiáng)度是通過(guò)疲勞試驗(yàn)得到的性能指標(biāo)，也是鋼制抽油疲勞性能的一個(gè)重要參數(shù)[1-2]。通常認(rèn)為常溫、無(wú)腐蝕介質(zhì)情況下，提高試驗(yàn)頻率可使標(biāo)準(zhǔn)疲勞試樣疲勞極限增加，但影響不大[3]。也有人認(rèn)為，抽油桿實(shí)物疲勞試驗(yàn)，高頻疲勞試驗(yàn)得到的疲勞壽命高于低頻疲勞試驗(yàn)的疲勞壽命。而目前鋼制抽油桿疲勞檢測(cè)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定試驗(yàn)頻率的具體數(shù)值，所以有必要研究試驗(yàn)頻率的大小對(duì)鋼制抽油桿疲勞壽命的影響。同時(shí)，針對(duì)近些年大多數(shù)鋼制抽油桿的疲勞壽命不符合抽油桿標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求，將利用新的疲勞試驗(yàn)方法—升降法，重新確定鋼制抽油桿的條件疲勞強(qiáng)度。

1 試驗(yàn)設(shè)備、試樣及試驗(yàn)參數(shù)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

采用美國(guó)進(jìn)口MTS液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)頻率范圍1～50Hz，最大試驗(yàn)力500kN。

1.2 試樣

將試樣制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，等級(jí)為D級(jí)、直徑19 mm，長(zhǎng)度為250 mm，有效長(zhǎng)度為80 mm，有效直徑為12 mm，有效面積為113.04 mm2，如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)

本次試驗(yàn)分別在5Hz和50Hz 2種試驗(yàn)頻率下對(duì)鋼制抽油桿試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。由于疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散性較大，抽油桿試樣在各試驗(yàn)頻率下分別做5次試驗(yàn)，以滿足數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析要求。

圖1 抽油桿疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣

根據(jù)疲勞試驗(yàn)的基本規(guī)律，試驗(yàn)應(yīng)力選擇過(guò)低，則疲勞壽命過(guò)長(zhǎng)，通常疲勞試驗(yàn)將疲勞壽命控制在4.5×104～3.0×106次范圍內(nèi)。因此，參考抽油桿疲勞檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，抽油桿疲勞試驗(yàn)應(yīng)力取406 MPa、450 MPa和490 MPa，見(jiàn)表1。

根據(jù)JB/TQ 530-87《K級(jí)、D級(jí)抽油桿及其接箍質(zhì)量分級(jí)》中規(guī)定載荷比為0.1。為此，本次試驗(yàn)載荷比取0.1，拉-拉載荷，波形為正弦波。

表1 疲勞試驗(yàn)應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)、處理及結(jié)論

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

設(shè)定好疲勞試驗(yàn)機(jī)，在5Hz和50Hz 2種試驗(yàn)頻率、406 MPa、450 MPa和490 MPa 3種試驗(yàn)應(yīng)力下分別進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

2.2 數(shù)據(jù)處理及結(jié)論

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4883推薦的Gruhbs和Dixon方法[4]對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可疑數(shù)據(jù)取舍分析表明。顯著水平為0.01和0.05時(shí)，所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均有效，不應(yīng)舍去。所以，通過(guò)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算可知：

1）試驗(yàn)應(yīng)力為406MPa時(shí)，試驗(yàn)頻率5Hz和 50Hz得到的疲勞壽命相對(duì)誤差為6.01%。

2）試驗(yàn)應(yīng)力為450MPa時(shí)，試驗(yàn)頻率5Hz和50Hz得到的疲勞壽命相對(duì)誤差為1.91%。

3）試驗(yàn)應(yīng)力為490MPa時(shí)，試驗(yàn)頻率5Hz和50Hz得到的疲勞壽命相對(duì)誤差為2.87%。

3種試驗(yàn)應(yīng)力下的疲勞壽命平均相對(duì)誤差為3.59%?？梢钥闯?，在試驗(yàn)頻率5Hz和50Hz，不同試驗(yàn)應(yīng)力下的得到的疲勞壽命相對(duì)誤差都很低。所以，鋼制抽油桿疲勞壽命低于1.1×106次時(shí)，不同疲勞試驗(yàn)頻率下其疲勞壽命的大小沒(méi)有明顯差異。

表2 抽油桿實(shí)物疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3 抽油桿條件疲勞強(qiáng)度的確定

從近些年D級(jí)、H型抽油桿疲勞試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，約有一半以上的抽油桿疲勞壽命不符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的性能指標(biāo)。其中，的確有一些抽油桿生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量不合格，但是不合格產(chǎn)品的數(shù)量這么大，也說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的疲勞性能指標(biāo)條件疲勞強(qiáng)度σ0.1值可能偏高。這就需要重新編制新的試驗(yàn)方法，修訂標(biāo)準(zhǔn)中的條件疲勞強(qiáng)度σ0.1值。

確定條件疲勞輕強(qiáng)度的疲勞試驗(yàn)新方法——升降法。利用升降法，可以比較準(zhǔn)確地測(cè)定抽油桿條件疲勞強(qiáng)度?，F(xiàn)說(shuō)明如下：試驗(yàn)從高于條件疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力水平開(kāi)始，然后逐級(jí)降低，如圖2所示。在應(yīng)力S0作用下，試驗(yàn)第1根試件。該試件在未達(dá)到指定壽命N＝106次之前發(fā)生了破壞，于是，第2根試件就在低一級(jí)的應(yīng)力S1下進(jìn)行試驗(yàn).一直試到第4根試件時(shí)，因該試件在S3作用下經(jīng)106次循環(huán)沒(méi)有破壞，故依次進(jìn)行的第5根試件就在高一級(jí)的應(yīng)力S2下進(jìn)行試驗(yàn)。照此辦理，凡前一根試件不到106次循環(huán)破壞，則隨后的一次試驗(yàn)就要在低一級(jí)的應(yīng)力下進(jìn)行；凡前一根試件越出，則隨后的一次試驗(yàn)就要在高一級(jí)的應(yīng)力下進(jìn)行。直至完成全部試驗(yàn)為止。各級(jí)應(yīng)力之差△S叫做“應(yīng)力增量”，在整個(gè)過(guò)程中，應(yīng)力增量保持不變。

圖2 升降圖

升降圖表示的是16個(gè)試件的試驗(yàn)結(jié)果。處理試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，在第一對(duì)出現(xiàn)相反結(jié)果以前的數(shù)據(jù)均舍棄。如圖2中的點(diǎn)3和點(diǎn)4是第一對(duì)出現(xiàn)的相反結(jié)果，因此數(shù)據(jù)點(diǎn)1和點(diǎn)2均舍棄。而第一次出現(xiàn)的相反結(jié)果點(diǎn)3和點(diǎn)4的應(yīng)力平均值（S2+S3）/2，就是常規(guī)試驗(yàn)法給出的條件疲勞強(qiáng)度值。同樣，第二次出現(xiàn)相反結(jié)果點(diǎn)5和點(diǎn)6的應(yīng)力平均值，也相當(dāng)于常規(guī)試驗(yàn)法給出的條件疲勞強(qiáng)度。如此，我們把所有鄰近出現(xiàn)相反結(jié)果的數(shù)據(jù)點(diǎn)都配成對(duì)：7和8，10和11，12和13，15和16。最后，對(duì)于不能直接配對(duì)的數(shù)據(jù)點(diǎn)9和點(diǎn)14，也可以湊成一對(duì)?？傆?jì)共有7個(gè)對(duì)子。由這7對(duì)應(yīng)力求得的7個(gè)條件疲勞強(qiáng)度的平均值，即可作為條件疲勞強(qiáng)度的精確值Sr。

化簡(jiǎn)后得到：

由（1）式可以看出，括號(hào)內(nèi)各級(jí)應(yīng)力前的系數(shù)，恰好代表在各級(jí)應(yīng)力下試驗(yàn)進(jìn)行的次數(shù)。如圖2所示，在應(yīng)力S1下只進(jìn)行了一次試驗(yàn)（數(shù)據(jù)點(diǎn)2被舍棄），在應(yīng)力S2下進(jìn)行5次試驗(yàn)，……。如以Vi表示第i級(jí)應(yīng)力Si下進(jìn)行的試驗(yàn)次數(shù)，n表示試驗(yàn)的總次數(shù)，m表示應(yīng)力水平的級(jí)數(shù)，則條件疲勞強(qiáng)度Sr的一般表達(dá)式可寫(xiě)成：

式（2）表明：Sr是以試驗(yàn)次數(shù)為權(quán)的加權(quán)應(yīng)力平均值。

升降法試驗(yàn)最好在4級(jí)應(yīng)力水平下進(jìn)行。當(dāng)完成了第6和第7根試件的試驗(yàn)后，就可以按式（2）開(kāi)始計(jì)算Sr值，并陸續(xù)計(jì)算出第8、9、10……各試件試驗(yàn)后的Sr值。當(dāng)這些Sr值變化越來(lái)越小，趨于穩(wěn)定時(shí)，試驗(yàn)即可停止。將完成最后一根試件試驗(yàn)所計(jì)算出的Sr值，作為欲求的條件疲勞強(qiáng)度。在一般情況下，大約需要10余根試件。如果預(yù)先有測(cè)定的SN曲線的數(shù)據(jù)，則對(duì)于升降圖中的較高級(jí)應(yīng)力S0，S1，S2，即可利用這些數(shù)據(jù)，而不必再做試驗(yàn)。這樣，所需的試件和時(shí)間還可以少一些。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）鋼制抽油桿疲勞壽命低于1.1×106次時(shí)，即置信概率低于97%時(shí)，不同疲勞試驗(yàn)頻率下其疲勞壽命的大小沒(méi)有明顯差異；在其它條件相同的情況下，疲勞試驗(yàn)應(yīng)力越低，疲勞壽命的分散程度也越大。

2）利用升降法對(duì)抽油桿進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定了不同等級(jí)抽油桿的條件疲勞強(qiáng)度，以此修訂抽油桿標(biāo)準(zhǔn)中的條件疲勞強(qiáng)度σ0.1值，同時(shí)為以后抽油桿國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的編寫(xiě)提供了技術(shù)要求和數(shù)據(jù)支撐。

[1]國(guó)家能源局.抽油桿:SY/T 5029-2013[S].北京：石油工業(yè)出版社,2014.

[2]國(guó)家能源局.空心抽油桿：SY/T 5550-2012[S].北京：石油工業(yè)出版社,2012.

[3]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(單行本)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[4]漆德瑤.理化分析數(shù)據(jù)處理手冊(cè)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社,1990.

[5]李海梅，宋剛，劉永志.金屬材料疲勞極限的估算[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2002,23(4):26-29.

The effect of fatigue test frequency on fatigue performance has been controversial.The fatigue life of steel sucker rod was test?ed under different test frequency and stress,and the test data were analyzed and researched.It is shown that when the fatigue life of steel sucker rod is lower than 1.1×106times,the test frequency has no obvious influence on it.In recent years,most of the sucker rod fatigue life does not meet the requirements of the relevant standards.In view of this present situation，a fatigue test method—the lifting and low?ering method is proposed,a lot of fatigue test are finished by using the method,and the condition fatigue strength σ0.1in the standards are revised based on the test data,which can provide data support for the preparation of the national standards related to sucker rod.

sucker rod;fatigue test;condition fatigue strength

路萍

2016-01-21

王桂全（1983-），男，工程師，主要從事采油工程產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)和科研工作。